线控转向系统路感反馈与主动回正控制_张君.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：重庆市应用开发计划项目（）作者简介：张君，男，硕士，高级工程师，主要从事机电一体化控制、车辆控制技术研究，：。本文引用格式：张君，邱江波，屈翔，等 线控转向系统路感反馈与主动回正控制 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（），（）：（）线控转向系统路感反馈与主动回正控制张 君，邱江波，屈 翔，张小锋（重庆理工大学 机械工程学院，重庆；重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆）摘 要：针对线控转向（）系统无法将路感直接通过方向盘传递给驾驶员的问题，建立方向盘模块和回正力矩的动力学模型，设计了助力力矩、限位力矩、摩擦力矩和阻尼控制力矩的综合路感模拟控制算法。考虑到车辆在低速行驶方向盘回正不足的缺陷，设计了主动回正控制算法，并推导出具体公式。仿真和硬件在环试验结果表明：所设计的路感模拟控制算法满足低速转向轻便、高速路感清晰的要求，同时能够减小方向盘回正残余角，提高车辆的回正性能。关 键 词：线控转向系统；路感模拟；回正力矩；驾驶员偏好力矩；主动回正控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言线控转向（，）系统是当下研究的热点，是继电动助力转向系统（）之后的全新一代转向系统。线控转向系统取消了转向轮与方向盘间的机械连接，不仅简化了转向系统结构，而且能提升车辆的驾驶舒适性、安全性和操纵性，是未来智能驾驶的重要基础。但 系统无法将路感通过方向盘直接传递给驾驶员，只能通过电机模拟生成。目前，对于路感模拟主要有传感器测量法、动力学计算法、参数拟合法。等提出了一种基于车辆和不同轮胎模型的齿条力估计器，根据轮胎模型复杂度的增加，估计器精度也会提高，从而准确估计齿条力。等提出了一个可以产生无干扰齿条力估计的道路高频轮廓变化模型，与传感器测量数据进行对比，验证了其模型的估计精度与优点。谢立刚等利用动力学计算法计算目标力矩，并采用粒子群优化 算法实现路感反馈功能。王晓峰等分析了动力学计算法的弊端，在此基础上采用权重法对路感力矩进行设计，最终通过不同车速来取不同权值。袁臣虎等采用了直接测量转向电机电流等效路面负载来模拟路感。等设计了一种具有容错模块的小阶（）控制器对路感电机的转矩进行控制，并采用遗传算法（）来调整 控制器的参数，通过 进行仿真验证了该控制方法的可行性。而针对线控转向系统在协调转角和扭矩闭环控制策略的同时保证 系统稳定性方面存在的问题，等提出了一种具有转向和路感反馈控制的 系统双边控制方案，最后通过实车验证了所提算法的有效性。赵含雪等针对车辆在低速回正不足，高速回正超调的问题，提出了一种基于传统滑模控制算法的主动回正控制策略，但传统滑模控制无法消除方向盘抖动现象。针对这一问题，谢有浩等基于时变滑模控制算法设计了不同路面附着系数下的回正控制策略，有效减小了方向盘的抖动程度。采用转向电机电流等效负载，需要采用复杂滤波器进行滤波，而采用齿条力估计方法估计的齿条力时，其估计精度较大程度取决于轮胎模型的复杂度，并且需要进一步采用补偿算法进行补偿，以达到线控转向系统路感轻便的目的。方向盘回正时需采用较复杂控制器来控制电机，针对以上问题，本文通过建立轮胎回正力矩动力学模型对方向盘反馈力矩进行计算；并设计补偿算法，确保车辆在低速时转向轻便与高速时路感清晰，与传统动力学方法直接计算回正力矩相比，本文能够减小车辆在低速时方向盘的反馈力矩，高速时加强路感；同时与其他主动回正方法相比，本文基于方向盘转角和车速 个参数来设计主动回正算法，能够精确提升方向盘在不同车速下的回正性能。路感产生原理与分析通过分析传统转向系统的路感产生原理可知，驾驶员转动方向盘时需要克服的转向阻力矩称为路感，该阻力矩主要由回正力矩、转向系统内部摩擦阻力矩、惯性力与阻尼力产生的力矩，以及轮胎与地面相互作用产生的摩擦阻力矩等组成。其中，回正力矩由轮胎拖距与主销内倾或内移产生的回正力矩 部分组成。回正力矩可以有效反映路面信息、轮胎的受力状况，能够给驾驶员提供有效的路感信息，因此，回正力矩的准确计算与驾驶员的驾驶舒适度息息相关。摩擦力矩主要指转向系统机械结构之间相互作用产生的阻力矩，是阻碍驾驶员获得有效路感的障碍。但是，对于传统转向汽车而言，当车辆行驶在不平的路面环境下，该摩擦力矩会起到阻尼的作用，抵消一部分来自路面的冲击。系统数学模型 系统主要由方向盘模块和转向执行模块组成。其中方向盘模块主要由方向盘、路感模拟电机、减速器组成。方向盘至扭矩传感器的数学模型表示为|（）式中：为方向盘输入力矩；为方向盘转动惯量；为方向盘转角；为方向盘阻尼系数；为转向管柱扭转刚度；为路感电机转角；为路感电机减速器减速比。路感电机数学模型为|（）式中：为路感电机电磁力矩；为路感电机阻尼系数；为路感电机扭转刚度。本文采用的路感电机为无刷直流电机，根据基尔霍夫定律，其电学平衡方程可表示为 （）电机电磁转矩与电机电流成正比，可表示为（）式中：为路感电机电压；为路感电机电阻；为路感电机电流；为路感电机电感；为路感电机反电动势系数；为路感电机电磁力矩系数。路感模拟与主动回正控制 基于回正力矩半经验模型的反馈力矩计算通过分析传统机械转向系统回正力矩产生原理，系统的路感模拟需要根据传统转机械转向系统的轮胎回正力矩半经验模型为依据。传统转向系统的轮胎回正力矩主要由轮胎拖距产生的回正力矩和主销内倾或内移造成的回正力矩组成。轮胎拖距由气胎拖距与后倾拖距组成，如图 所示。图 气胎拖距与后倾拖距 由轮胎拖距产生的回正力矩为 （）（）主销内倾或内移产生的回正力矩与车速无关，其表达式为（）（）式中：为轮胎拖距产生的回正力矩；、分别为整车质量、车速、质心到前后轮的距离、前后轮轴距、前后轮侧偏刚度、气胎拖距、后倾拖距、前轮转角；、分别为轮荷、主销内移量和主销内倾角。当前轮转角 较小时，则式（）可表示为（）（）则轮胎总回正力矩为 （）在实际行驶情况下，轮胎与地面的相互作用也会产生摩擦力矩，可表示为（）式中：为阻尼系数、转动惯量和轴荷等相关的常数。考虑到 系统的路感应尽量减小与侧向力无关的摩擦力，因此只考虑回正力矩，所以初步确定方向盘上的反馈力矩为 （）式中：为传动比。为了验证回正力矩动力学模型的有效性，在双纽线工况下将方向盘转角输入设置为正弦输入，低速时幅值设置为，高速时幅值设置为 进行仿真，仿真中用到的某车辆参数如表 所示。表 参数表（部分）参数数值质心到前轮的距离 质心到后轮的距离 转动惯量 （）主销内移量 轮胎拖距（）主销内倾角 整车质量 传动比 方向盘转动惯量 （）方向盘阻尼系数 （）路感电机电阻 路感电机电感 转向柱扭转刚度 （）路感电机额定电压 将车速分别设置为 和 ，在 与 里进行仿真验证，得到如图 所示的转矩随时间变化曲线。在同样的工况条件下，在试验台上对方向盘进行手动输入正弦变化的转角信号进行试验，试验结果如图 与图 所示。图 转向时方向盘力矩仿真曲线 车辆在低速时影响回正力矩的主要因素为方向盘转角，高速时由于方向盘基本保持在中间位置，影响反馈力矩的主要因素为侧向加速度。图 为车辆在不同车速下行驶时对应的方向盘力矩变化曲线，仿真结果和试验结果接近。车速为张 君，等：线控转向系统路感反馈与主动回正控制 下行驶时方向盘转角输入幅值较大，因此对应的方向盘力矩较大。而在车速为 时，此时处于高速下行驶，方向盘长时间处于中间位置，转角输入幅值正常情况下较小，因此方向盘反馈力矩较小，导致路感较差。图 时方向盘力矩试验曲线图 时方向盘力矩试验曲线 根据国标 双纽线评价指标，对所计算的方向盘反馈力矩进行轻便性评价。中高速时驾驶员偏好力矩与低速稳态时方向盘力矩理想值如表 与表 所示。表 驾驶员偏好力矩（参考值）（）表 低速稳态下方向盘力矩（参考值）（）（）通过对表 和表 分析可知，当车速为 归为低速行驶，方向盘力矩理想值参考值范围为 ，而此时方向盘力矩 远超出理想值范围；车速为 时方向盘力矩 ，超出理想值参考范围 ，均不能满足驾驶员对路感低速轻便性和高速清晰稳定的要求，此时需要对其进行补偿设计。系统路感补偿设计为了保证方向盘低速轻便性，首先需要进行助力控制，根据 系统的助力控制策略，系统的助力控制可设计为随车速和方向盘转角改变而改变，具体公式设计如下 （）（）式中：为助力力矩；、分别为方向盘转角增益、速度增益。线控转向系统取消了机械连接，为了提醒驾驶员方向盘已经转到极限位置，需要对其极限位置进行设计，其表达式为（），（），（）式中：为限位力矩；、分别为限位系数、右极限转角、左极限转角。在线控转向系统中摩擦力矩主要存在于方向盘中，在机械装配时摩擦力矩存在不确定性，不能完全满足驾驶员对路感的需求。为了驾驶员能快速适应 系统，需要进行一定的摩擦补偿，而库伦摩擦力矩会在方向盘角速度为零时使摩擦补偿力矩突变，因此将摩擦力矩设计成车速与方向盘角速度的函数，能够根据车速和方向盘转角改变摩擦补偿力矩，即 （）|（）式中：、分别为与摩擦力矩大小和变化快慢有关的参数。从传统机械转向系统可知，汽车高速下行驶时会出现方向盘过轻，不仅有“发飘”的感觉，而且在回正时方向盘会出现超调现象，容易发生安全事故。根据前文的仿真分析可知，为了使高速时驾驶员获得更清晰的路感，抑制方向盘的回正超调现象，应当加入阻尼控制力矩。将阻尼力矩设计为（）（）式中：为阻尼力矩；（）为车速函数，可将其设计为（），（），（）式中：为阻尼系数；为临界车速。阻尼控制在高速时不仅能够给驾驶员提供清晰路感和抑制方向盘回正超调现象，而且能够在一定程度上减小方向盘因路面不平或者颠簸带来的抖动。综上，路感模拟综合控制力矩为 （）主动回正力矩算法设计汽车在低速行驶时方向盘会出现回正不足的问题，因此需要设计主动回正力矩，以保证方向盘在低速行驶时能够正常回正，从而减轻驾驶员操纵负担以及提升车辆行驶安全性，将主动回正力矩公式设计为随车速和方向盘转角变化的函数，具体为随着车速的增大而减小，随着方向盘转角的增大而增大，即（）（）其中 （）（）（）将式（）、（）代入式（）得到 （）()（）（）式中：为车速相关的常数；为车速影响因子；为方向盘转角增益系数；为方向盘转角影响系数。为了便于控制，本文将方向盘整个转向过程分为转向和回正 个过程，回正是指驾驶员撒手后方向盘的自动回正。通过方向盘转角与转速的乘积与零比较进行 个过程的判定，当乘积大于零时表示转向过程，小于等于零时表示回正过程。主动回正力矩仅在回正过程起作用，其表达式设计为，（）式中包含车速和方向盘转角 个影响因素，能够随车速增大而减小，随方向盘转角增大而增大，满足低速大转角时辅助方向盘回正的目的；在不同行驶条件下通过调整对应的参数能够实现不同条件下的回正控制。最终回正过程的控制力矩为 （）仿真分析利用 搭建模型，并联合车辆动力学仿真软件 进行联合仿真试验，分别为阻尼试验、双纽线试验、限位试验和主动回正试验，仿真原理如图 所示。图 联合仿真原理张 君，等：线控转向系统路感反馈与主动回正控制 阻尼试验 高速阻尼效果选取角阶跃试验来验证阻尼控制算法对方向盘抖动和回正超调的抑制效果，将车速设定为 ，以 的角阶跃作为输入，与无阻尼时对比，观察方向盘转矩随时间的变化规律与达到稳定时的时间，结果如图 所示。图 方向盘转角阶跃输入仿真结果 由图 可知，在车速一定时，与无阻尼控制相比，方向盘抖动明显减小，并且能够增加方向盘力矩，给驾驶员提供稳定且清晰的路感。高速回正效果以相同的车速和转角作为输入条件，观察方向盘在撒手回正时的阻尼效果，仿真结果如图 所示。图 高速时方向盘回正试验仿真结果 由图 结果可以看出，有阻尼控制时，方向盘回正控制效果更佳，并且能够抑制回正超调现象，延长了方向盘的回正时间，提升了方向盘的回正性能。双纽线仿真试验双纽线试验主要作用是检测车辆在不同车速下方向盘转矩随着方向盘转角的变化情况，确保车辆在低速行驶时转向轻便、高速时路感清晰。在 软件中分别设定车速为、沿着双纽线工况绕行一周进行仿真试验，试验结果如图、所示。图 车速为 时方向盘转角 力矩特性图 车速为 时方向盘转角 力矩特性 根据图、并结合表、可知，方向盘转矩随转角变化处于阈值内，在低速时方向盘反馈力矩为 ，高速时方向盘最大力矩达到了 ，符合驾驶员偏好的力矩值，表明本文所设计的路感模拟控制算法能够给驾驶员提供合适的路感。限位控制试验为了验证限位力矩是否起到限位作用，此时将车速设置为 ，将最大转角设定为。试验结果如图 所示。图 限位控制试验仿真结果 由图 可知，当转角达到 后力矩已达到 ，转角继续增大时，方向盘力矩不断增大到 ，能够很好地提醒驾驶员已转到最大转角位置。低速主动回正试验仿真时确定公式中各个参数值，取 、和 ，车速设定为 ，以一恒定力矩对方向盘进行输入，后松开方向盘，得到方向盘转角与时间变化曲线如图 所示。图 低速转向回正性能试验仿真结果 从图 中可以看出，与无主动回正力矩控制比较，本文所设计的主动回正力矩控制算法使方向盘回正效果更佳，能够减小回正残余角，较大程度提升了方向盘低速回正性能。硬件在环试验与分析 硬件在环试验平台为了进一步验证所设计的路感模拟控制策略和方向盘的主动回正控制的有效性，搭建了 系统的试验平台，该平台实物如图 所示。图 试验台实物图 试验台主要由线控转向系统、负载加载装置、数据采集卡、通信设备（卡、）以及上位机组成。其中线控转向系统主要由方向盘、路感电机及路感电机控制器、转角 转矩传感器、减速器、转向管柱、转向电机以及转向电机控制器等组成；而 卡结合上位机将模型对应的程序代码烧录到控制器，是进行试验数据的采集与显示，并且将控制器与上位机之间进行通信；控制器则是用于实现路感控制策算法；负载加载装置被用于各种阻力的模拟。路感控制试验 阻尼控制试验在上位机中将车速设置为 ，方向盘输入角度幅值为 的角阶跃输入，分别在有阻尼和无阻尼控制的条件下进行试验，得到方向盘力矩随时间变化关系以及方向盘回正实验结果，分别如图 与图 所示。图 方向盘角阶跃输入硬件在环试验结果 从图 中可知，有阻尼控制时转向盘力矩波动明显减小，即方向盘抖动明显减小，从而使驾驶员获得更舒适的手感。图 高速回正试验结果 从试验结果可以看出本文设计的阻尼控制能够抑制方向盘超调现象，保障车辆行驶更加稳定，有效减小了高速时一些不利因素对驾驶员的影响。张 君，等：线控转向系统路感反馈与主动回正控制 双纽线试验为了进一步观察汽车在不同车速下的方向盘转矩特性，以双纽线工况来转动方向盘，将车速也分别设置为、进行试验，试验结果如图、所示。图 车速为 时方向盘力矩试验结果图 车速为 时方向盘力矩试验结果 当车速为 时也能测试方向盘的低速轻便性，从图中可以知道随着方向盘转角的增大，方向盘力矩也在增大，且最大值为 内。根据国标 双纽线评价指标，通过对比助力转向系统的转向盘力矩对比，结果如表 所示。表 转向轻便性试验结果指标方向盘最大力矩均值（）方向盘最大作用力均值 根据表 可以看出，线控转向系统系统最大作用力均值和最大力矩均值均小于 转向系统，表明汽车在低速行驶时，系统转向更加轻便，满足路感要求。从图、的试验结果可以看出，高速下对应的最大力矩为 ，在阈值内。表明该路感模拟算法在高速时能够增大反馈力矩，给驾驶员提供比较清晰且稳定的路感。限位控制试验与仿真时的条件一致，设定最大极限转角为，车速为 进行试验，结果如图 所示。图 限位控制硬件在环试验结果 试验结果反映出当转角达到 后力矩不断快速上升，当转角达到时，力矩已经达到，能够快速传递一个较大力矩给驾驶员，从而阻止驾驶员继续转动方向盘，从而起到限位作用。低速回正性能测试试验在试验台架上进行试验，将车速设置为 进行试验，同样的时间松开方向盘，试验结果如图 所示。图 低速回正性能试验硬件在环试验 从试验结果可以看出，本文中所设计的主动回正力矩算法能够将方向盘回正残余角减小到 以内，使方向盘很好地进行回正，同时也减轻了驾驶员手动回正时带来的体力负担，给驾驶员更多的时间和精力观察驾驶环境的情况。结论）分析传统机械转向系统的路感来源，基于回正力矩动力学模型对车轮回正力矩进行计算，得到低速与高速时方向盘力矩分别为 和 ，存在低速重、高速轻的问题，因此设计补偿力矩算法，最终通过仿真试验得到补偿后的低速与高速对应的方向盘最大力矩分别为.与 ，证明了该路感模拟控制策略的可行性。）将方向盘转动分为转向和回正 个过程，设计主动回正控制力矩以改善车辆在低速行驶时的回正性能，并通过调整对应的参数实现不同驾驶员和不同车速时的路感与回正效果，充分发挥了线控转向系统路感自由设计的优势。利用 和 联合仿真验证了所设计的路感模拟方法的正确性和有效性。）通过搭建硬件在环试验平台，进一步验证所设计的路感模拟控制算法和不同车速条件下的方向盘主动回正算法的有效性。得到路感低速与高速对应方向盘最大力矩分别为 和.，与仿真结果非常接近，相差的部分在误差范围内，试验结果进一步证明了所设计的算法不仅能为驾驶员提供舒适可靠的路感，还能提升方向盘的回正性能。参考文献：章仁燮，熊璐，余卓平 智能汽车转向轮转角主动控制 机械工程学报，（）：，：，（）：谢立刚，陈勇 线控转向汽车路感控制策略 重庆理工大学学报（自然科学），（）：王晓峰，汪选要 线控转向系统变角传动比设计及路感模拟 机械设计与制造，（）：袁臣虎，杨玉明，刘晓明，等 基于 的线控转向系统路感控制策略 天津工业大学学报，（）：，：，（）：赵含雪，李芳，吴艳，等 线控转向系统路感模拟与主动回正控制 电工电能新技术，（）：谢有浩，赵林峰，陈无畏，等 低附着路面条件的线控转向系统路感模拟与回正控制研究 机械工程学报，（）：，（）：米奇克 汽车动力学 卷 版 陈荫三，译 北京：人民交通出版社，郭孔辉 汽车操纵动力学 长春：吉林科学技术出版社，宗长富，麦莉，王德平，等 基于驾驶模拟器的驾驶员所偏好的转向盘力矩特性研究 中国机械工程，（）：赵林峰，从光好，邵文彬，等 线控转向车辆转向盘转矩特性研究 机械工程学报，（）：张 君，等：线控转向系统路感反馈与主动回正控制 ，（，；，）：（），：；（责任编辑 卢 燕）